武 瑾，梁 峰，拜文華，吝 文，趙 嶸

(1.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007；2.國家能源頁巖氣研發(fā)(實驗)中心，河北 廊坊 065007；3.中國石油天然氣管道局，河北 廓坊 065007)

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渝東北地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣勘探前景

武 瑾1，2，梁 峰1，2，拜文華1，2，吝 文1，2，趙 嶸3*

(1.中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007；2.國家能源頁巖氣研發(fā)(實驗)中心，河北 廊坊 065007；3.中國石油天然氣管道局，河北 廓坊 065007)

在野外露頭剖面測量、鉆井巖心取樣及實驗測試的基礎(chǔ)上，從富有機(jī)質(zhì)頁巖區(qū)域展布、地球化學(xué)特征、巖石儲集特征及含氣性等方面研究渝東北地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣形成條件與資源潛力。結(jié)果表明：研究區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖厚度大，自西向東先增厚后減薄，TOC含量高，有機(jī)質(zhì)類型好，熱演化程度較高，脆性礦物含量高，有機(jī)質(zhì)納米孔隙及微裂縫發(fā)育，含氣量較高，埋深適中，有利于頁巖氣的形成與富集。采用綜合信息疊合研究認(rèn)為，巫溪—田壩—溫泉地區(qū)為頁巖氣勘探開發(fā)的有利區(qū)域，綜合地震資料優(yōu)選出區(qū)帶內(nèi)田壩、文峰區(qū)塊為有利區(qū)塊，面積約為450 km2，估算頁巖氣資源量為2×1012～3×1012m3，具有良好的頁巖氣勘探開發(fā)前景。

頁巖氣；下志留統(tǒng)；龍馬溪組；勘探前景；渝東北

0 引 言

頁巖氣為產(chǎn)自富有機(jī)質(zhì)頁巖為主的儲集巖系中的非常規(guī)天然氣[1]。中國頁巖氣資源豐富，國土資源部2012年預(yù)測全國頁巖氣地質(zhì)資源量為134.40×1012m3，技術(shù)可采資源量為25.08×1012m3，具有較好的發(fā)展前景[2]。四川盆地為大型含油氣疊合盆地，發(fā)育大面積分布且富含有機(jī)質(zhì)的頁巖，是中國頁巖氣研究及勘探的重要領(lǐng)域[3-4]。目前，對四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色頁巖的勘探主要集中在南部和東部，在長寧、威遠(yuǎn)及涪陵焦石壩目的層系已相繼獲得單井突破[5]，其他地區(qū)勘探研究仍需進(jìn)一步拓展。

渝東北地區(qū)位于四川盆地東北緣，發(fā)育上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色炭質(zhì)頁巖、硅質(zhì)泥頁巖，富含筆石和黃鐵礦，主要形成于閉塞—半閉塞滯留環(huán)境的深水陸棚，是研究區(qū)很好的烴源巖[6]。為此，以渝東北地區(qū)及其周邊區(qū)域地質(zhì)調(diào)查資料、野外露頭及鉆井巖心資料為基礎(chǔ)，重點(diǎn)進(jìn)行X衍射全巖分析、地化參數(shù)測試、掃描電鏡觀察、比表面積測定及等溫吸附實驗，明確了該區(qū)域下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣基本特征、形成機(jī)理與儲集條件，分析了頁巖氣資源潛力，預(yù)測了勘探開發(fā)有利區(qū)塊，為進(jìn)一步拓展四川盆地及其周緣頁巖氣勘探開發(fā)新領(lǐng)域提供有益參考。

1 地質(zhì)概況

渝東北地區(qū)構(gòu)造位置處于秦嶺造山帶南側(cè)的上揚(yáng)子板塊北緣，主體位于南大巴山弧形褶皺帶南部，主要為由一系列巨型逆沖-推覆構(gòu)造組成的向南西突出的弧形構(gòu)造帶，介于城口—房縣斷裂帶與鐵溪—巫溪隱伏斷裂帶之間，北部地層褶皺強(qiáng)烈、斷裂發(fā)育，南部構(gòu)造作用相對較弱。

該區(qū)塊西部主要出露侏羅系地層，中東部主要出露二疊系和三疊系地層，少數(shù)地區(qū)出露志留系地層(圖1)。晚奧陶世—早志留世，加里東運(yùn)動帶來強(qiáng)烈的擠壓導(dǎo)致古隆起面積擴(kuò)大，發(fā)生強(qiáng)制海侵，海侵帶來了豐富的生成油氣所需的微生物。在四周古陸、山地和海底地形高的阻隔下海水處于滯留狀態(tài)[6]，形成局限滯留海盆，盆地主體處于非補(bǔ)償狀態(tài)，沉積了一套富有機(jī)質(zhì)黑色頁巖，富含黃鐵礦和各類筆石。

圖1 渝東北地區(qū)區(qū)域地質(zhì)簡圖

2 頁巖發(fā)育及生烴條件

2.1 地層和巖性特征

研究區(qū)地層發(fā)育齊全，從前震旦紀(jì)基底、震旦系到白堊系均有出露[7]。受志留紀(jì)末加里東運(yùn)動的影響，該區(qū)長期隆起并遭受剝蝕，普遍缺失泥盆系和石炭系地層。區(qū)內(nèi)出露的志留系地層在平面上主要分布于沿城口和鎮(zhèn)巴—雞鳴寺斷裂一帶，在剖面上對應(yīng)為下統(tǒng)龍馬溪組(S1l)、中統(tǒng)徐家壩組(S2lr)，缺失上統(tǒng)。

為了掌握五峰組—龍馬溪組頁巖縱向變化特征，選取巫溪田壩剖面對頁巖儲層特征進(jìn)行詳細(xì)研究。田壩剖面位于田壩背斜核部偏北翼，從底部至頂發(fā)育上奧陶統(tǒng)臨湘組、五峰組和下志留統(tǒng)龍馬溪組。臨湘組為灰色中厚層狀泥質(zhì)灰?guī)r，產(chǎn)角石。五峰組底部為含炭質(zhì)、硅質(zhì)筆石相頁巖，發(fā)育大量筆石和黃鐵礦，并見多層薄層狀灰白色斑脫巖；頂部為一層厚0.2 m的觀音橋段灰色泥質(zhì)灰?guī)r，含腕足類化石，代表了奧陶紀(jì)沉積時代的結(jié)束和志留紀(jì)沉積時代的開始。龍馬溪組厚度大，按巖性特征分為上、下2段：下段為典型的黑色筆石頁巖相，發(fā)育水平層理，富含星散狀、片狀、結(jié)核狀黃鐵礦，產(chǎn)豐富的筆石，自下而上有高家邊雕筆石(近似鐘)、尖削尖筆石、李氏鋸筆石、三角半耙筆石等，為深水陸棚相沉積；上段為灰、灰綠色粉砂質(zhì)頁巖夾粉砂巖，產(chǎn)葛氏螺旋筆石，見波狀層理，為淺水陸棚相沉積。

通過對研究區(qū)重點(diǎn)露頭剖面進(jìn)行地層對比認(rèn)為，黑色頁巖主要發(fā)育于五峰組—龍馬溪組的下部，為典型的黑色筆石頁巖相，厚度為20.0～100.0 m[8]。橫向上，自西向東先增厚后變薄，巫溪咸水一帶厚約為50.0 m，至田壩地區(qū)水體突然加深，沉積黑色頁巖厚度增加，可達(dá)70.0 m，向東至白鹿剖面厚度約為40.6 m，向西至城口雙河厚度減薄為28m，南江橋亭厚度僅為13.5 m?？v向上，由下向上顏色變淺，砂質(zhì)成分逐漸增重，下部發(fā)育水平層理，黃鐵礦、筆石豐富，向上逐漸減少，表明沉積水體變淺，沉積環(huán)境由深水陸棚演變?yōu)闇\水陸棚沉積。

2.2 有機(jī)地化特征

2.2.1 有機(jī)質(zhì)豐度及類型

實測田壩剖面五峰組—龍馬溪組有機(jī)碳含量較高的部分主要集中在下部灰黑色—黑色泥頁巖段，TOC含量為1.69%～8.16%，平均為3.78%，富有機(jī)質(zhì)頁巖(TOC>2.00%)集中在底部，厚度為45 m，是頁巖氣形成聚集的有利目的層段；向上隨著粉砂質(zhì)、鈣質(zhì)的增加，TOC含量有所降低，至上部TOC值降低至1.02%(圖2)。

體育產(chǎn)業(yè)的崛起，為體育特色小鎮(zhèn)發(fā)展提供了重要的資金支持，也為體育特色小鎮(zhèn)發(fā)展提供了重要的人員循環(huán)參與的動力保障。當(dāng)前，國家對體育事業(yè)的大力支持是體育產(chǎn)業(yè)發(fā)展的黃金時期，也是體育特色小鎮(zhèn)建設(shè)的絕佳機(jī)遇。

平面分布上，研究區(qū)內(nèi)除巫溪—城口—萬源一線以北被剝蝕外，有機(jī)質(zhì)豐度普遍較高，呈北東向展布。受沉積環(huán)境的控制，高有機(jī)碳含量區(qū)通常出現(xiàn)在頁巖的沉積中心，城口—巫溪一帶為高值區(qū)，TOC普遍大于3.00%，最高值可達(dá)8.16%；奉節(jié)—巫山一帶TOC含量為2.00%～3.00%；鎮(zhèn)巴—紫陽一帶TOC含量為1.00%～5.00%。如巫溪咸水剖面黑色頁巖TOC含量均值高達(dá)4.17%；W1井富有機(jī)質(zhì)泥巖段厚度約為40 m，其中TOC>5.00%的厚度可達(dá)12 m；向東至白鹿剖面TOC含量為1.75%～5.26%，平均為3.20%。向西至城口雙河TOC含量最高可達(dá)8.65%，平均為5.24%。至南江地區(qū)橋亭TOC含量相對降低，為2.05%～3.64%，平均為2.08%。川北宣漢地區(qū)TOC含量平均值僅為1.66%[8]。

對W1井五峰組—龍馬溪組黑色頁巖進(jìn)行干酪根顯微組分鑒定，顯微組分以腐泥組為主，含量超過60%，主要為無定形體，母質(zhì)來源于低等水生生物，含部分惰質(zhì)組，類型指數(shù)為30%～48%，判斷干酪根類型為Ⅱ1—Ⅱ2型，具有發(fā)育大量有機(jī)質(zhì)孔隙的潛力，對泥頁巖的總比表面積和孔隙體積等具有積極影響。

圖2 巫溪田壩剖面上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖綜合柱狀圖

2.2.2 熱演化程度

研究區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組黑色泥頁巖熱演化程度較高，Ro為2%～4%，已達(dá)高—過成熟階段，烴源巖的高熱演化與沉積后期的深埋藏有關(guān)。平面分布大致具有北西低、南東高的特點(diǎn)，西部旺蒼—南江—城口一帶為低值區(qū)，Ro為1.41%～2.43%；中部巫溪田壩、徐家壩一帶成熟度較高，Ro為2.50%～3.72%，咸水地區(qū)稍低，Ro為2.36%～2.80%；向西至奉節(jié)—巫山—巴東一帶，Ro為2.00%～3.00%；向南至開縣—萬州一帶，Ro超過4.00%，達(dá)到變質(zhì)期，失去生氣能力[8]。

3 儲集條件分析

3.1 礦物成分特征

對研究區(qū)內(nèi)露頭及鉆井巖心樣品進(jìn)行了X衍射全巖和黏土礦物分析。泥頁巖礦物成分以脆性礦物為主，含量為59.1%～67.7% ，平均為62.8%，其中石英含量為39.5%～56.2%，長石含量為4.4%～10.0%，碳酸鹽巖礦物較少，普遍含有黃鐵礦，個別樣品含有少量菱鐵礦、銳鈦礦、重晶石、石膏等礦物(表1)。田壩剖面從底到頂，總體石英含量減少而黏土含量增加，五峰組石英含量較高，可能與該層段含有硅質(zhì)巖與斑脫巖互層有關(guān)(圖2)?？傮w上，黑色頁巖段脆性好，易于在外力作用下形成天然裂隙和誘導(dǎo)裂隙，有利于后期壓裂改造。

黏土礦物的總量為24.50%～37.90%，以伊蒙混層為主，含量為40.71%～71.38%，其次為伊利石，含量為21.13%～39.40%，綠泥石、高嶺石含量較少，不含蒙脫石等膨脹性黏土礦物。伊蒙混層間層比介于5%～10%，主要體現(xiàn)伊利石的性質(zhì)。伊利石主要在晚成巖作用階段和極低變質(zhì)作用階段出現(xiàn)，高而穩(wěn)定的伊利石含量表明研究區(qū)龍馬溪組成巖作用已經(jīng)歷中—晚成巖作用階段，礦物成分所反映的成熟度已進(jìn)入生氣窗內(nèi)，對頁巖氣成藏十分有利。

表1 渝東北地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖X衍射全巖及黏土分析數(shù)據(jù)

研究區(qū)五峰組—龍馬溪組泥頁巖儲集空間類型多樣，主要發(fā)育有機(jī)質(zhì)孔、礦物孔及微裂縫等(圖3)。有機(jī)質(zhì)納米孔主要發(fā)育于有機(jī)質(zhì)內(nèi)或富含有機(jī)質(zhì)的黏土礦物中，形態(tài)多為圓形或橢圓形(圖3a、b、c)，有機(jī)質(zhì)通常與莓狀黃鐵礦伴生，在黃鐵礦晶粒間發(fā)育有機(jī)質(zhì)納米孔(圖3d)。龍馬溪組黑色頁巖有機(jī)質(zhì)豐度高、熱演化程度高，在成熟生烴過程中產(chǎn)生了大量的有機(jī)質(zhì)納米孔，為頁巖氣儲層的主要儲集空間。礦物質(zhì)孔主要包括粒間孔、粒內(nèi)孔、晶間孔及溶蝕孔等。溶蝕孔孔徑一般為納米級，溶蝕縫可達(dá)數(shù)微米，連通性較差(圖3e)。莓狀黃鐵礦晶間孔較發(fā)育，單個晶體間孔隙連通性較好，但莓球之間連通性相對較差(圖3d)。微裂縫多呈鋸齒彎曲狀，縫長度為數(shù)微米，不僅有利于游離氣的大量存儲，同時也可作為為甲烷分子提供滲流通道，對頁巖氣的開發(fā)起到關(guān)鍵性作用。

通過低溫氮?dú)馕綄嶒灧治黾{米級孔隙特征，由BET模型計算比表面積，根據(jù)BJH理論得出孔徑分布。頁巖孔體積密度分布呈多峰形態(tài)，峰值孔徑集中在3～10 nm，該范圍內(nèi)的孔徑占主導(dǎo)地位。測得比表面積為15.618～20.925 m2/g，總孔體積為0.025～0.028 mL/g，平均孔徑約為3.73 nm。表明泥頁巖納米孔隙孔徑雖小，卻具有很高的比表面積，約為砂巖比表面積(1 m2/g)的18倍[9]，較大的比表面積可為甲烷氣體的吸附提供充足的存儲空間。

3.3 含氣性特征

對W2井下志留統(tǒng)龍馬溪組5塊巖心樣品在溫度為30 ℃、甲烷濃度為99.9%的實驗條件下進(jìn)行等溫吸附實驗。結(jié)果表明，頁巖飽和吸附量(VL)為2.21～3.54 m3/t，顯示出較強(qiáng)的吸附氣體能力。城口明中五峰組—龍馬溪組剖面黑色頁巖飽和吸附量可達(dá)2.57 m3/t[10]。開縣—萬州一帶實測含氣量為1.0～1.4 m3/t，巫山一帶含氣量普遍大于0.8 m3/t，南江—城口一帶含氣量超過1.0 m3/t[11]，均接近或超過了北美商業(yè)性開發(fā)含氣量下限1.1 m3/t，具備了頁巖氣成藏的有利條件。

圖3 W1井上奧陶統(tǒng)五峰組—下志留統(tǒng)龍馬溪組泥頁巖儲集空間類型

4 有利勘探區(qū)優(yōu)選

4.1 五峰組—龍馬溪組頁巖埋深

通過對美國頁巖氣的統(tǒng)計研究，具有工業(yè)性開發(fā)價值頁巖氣的埋藏深度一般為500～4 000 m。受復(fù)雜構(gòu)造條件的影響，渝東北地區(qū)龍馬溪組頁巖埋深在區(qū)域上變化較大，城巴斷裂帶以北為剝蝕區(qū)，構(gòu)造保存條件差，不利于頁巖氣的保存；城巴斷裂帶以南地層抬升剝蝕幅度較大，頁巖層埋藏較淺(小于1 000 m)，由北向南埋深整體逐漸增大，中部城口—巫溪一帶埋深適中，至開縣—奉節(jié)—云陽一帶埋深增大(圖4)。

4.2 頁巖氣勘探開發(fā)有利區(qū)

選取富有機(jī)質(zhì)頁巖厚度、有機(jī)質(zhì)豐度、構(gòu)造埋深條件、地形地貌和水資源條件等5項因素，采用綜合信息疊合法優(yōu)選出主體位于巫溪—田壩—溫泉的有利區(qū)帶(圖4)。該區(qū)帶位于田壩背斜及其兩翼向斜，富有機(jī)質(zhì)頁巖厚度大，為40～90 m；有機(jī)質(zhì)豐度較高，整體上處于3%～5%之間；保存條件相對較好，背斜位置埋深適中，兩翼向斜區(qū)域埋深相對較大；地表條件較為有利，主要為喀斯特地貌；地表水資源豐富，有利于頁巖氣開發(fā)水力壓裂。

通過區(qū)帶內(nèi)地震測線解釋，進(jìn)一步優(yōu)選出田壩、文峰2個有利區(qū)塊，面積約為450 km2(圖4)，估算頁巖氣資源量為2×1012～3×1012m3。文峰區(qū)塊(Ⅱ型)富有機(jī)質(zhì)頁巖厚度為70～90 m，主體埋深為2 000～3 500 m，地形條件相對較好，估算頁巖氣資源量約為1 150×108～1 610×108m3，綜合排序第1；田壩區(qū)塊(Ⅰ型)富有機(jī)質(zhì)頁巖厚度為80～90 m，主體埋深為1 400～3 400 m，估算頁巖氣資源量約為950×108～1 400×108m3，綜合排序第2。

圖4 渝東北地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖氣有利區(qū)綜合預(yù)測

5 結(jié) 論

(1) 渝東北地區(qū)下志留統(tǒng)龍馬溪組頁巖廣泛分布，黑色頁巖沉積厚度大(20～100 m)，自西向東先增厚后變薄；有機(jī)質(zhì)豐度高(TOC為1.03%～8.16%)，有機(jī)質(zhì)類型好(Ⅱ1—Ⅱ2型)，且處于高過成熟階段(Ro為2%～4%)，生烴潛力大，頁巖氣成藏氣源條件優(yōu)越。

(2) 頁巖儲層脆性礦物含量高(59.1%～63.0%)，納米孔隙和微裂縫發(fā)育，且具有較強(qiáng)的吸附能力(0.86～2.91 m3/t)，埋深適中(1 000～4 000 m)，區(qū)內(nèi)田壩背斜及其兩翼向斜保存條件較好，具備頁巖氣聚集的良好條件。

(3) 采用綜合信息疊合法優(yōu)選出巫溪—田壩—溫泉有利區(qū)帶，并結(jié)合地震測線解釋，進(jìn)一步優(yōu)選出區(qū)帶內(nèi)田壩、文峰有利區(qū)塊，分布面積約為450 km2，估算頁巖氣資源量達(dá)2×1012～3×1012m3，可作為今后勘探開發(fā)的重點(diǎn)區(qū)域。

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編輯 林樹龍

20150720；改回日期：20151008

國家科技重大專項“頁巖氣勘探開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究”(2011ZX05018-002)

武瑾(1988-)，女，工程師，2009年畢業(yè)于中國海洋大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，現(xiàn)為中國石油勘探開發(fā)研究院礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)在讀碩士研究生，主要從事頁巖氣儲層評價工作

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.06.011

TE122

A

1006-6535(2015)06-0050-06

* 參加本研究的還有中國石油勘探開發(fā)研究院魏晨吉。